A400M軍用運輸機機翼，是空客研制的第一個復合材料 機翼。A400M為空客A350機翼的發(fā)展和未來的計劃指明了道路。它單側機翼長19米、寬4米。機翼裝配型架采用垂直形式，即機翼在型架中是垂直固定的。A350是空客第二個用復合材料制造的機翼。它單側機翼長32米、寬6米。因6米寬，裝配型架采用水平形式。即機翼在型架中是水平固定的。（注：現(xiàn)空客A220、俄羅斯MC-21復合材料機翼裝配型架，均采用垂直形式。）

在西班牙塞維利亞的空中客車軍用A400M總裝線（FAL）上，飛機編號為MSN8、MSN9和MSN7，機翼已完成。HPC應邀參觀了組裝這些機翼的英國工廠Filton。

A400M機翼裝配設施的俯視圖。組裝開始于六個夾具中的一個（右），其中機翼垂直定位，用于集成復合材料前緣和后緣翼梁、鋁肋和復合材料機翼蒙皮（見下圖）。機翼隨后被移動到預裝備 1（前景左），在那里它們被水平定位，并開始安裝緊固件、電線、燃油管和其他設備。在預裝備 1 之后，機翼移動到預裝備 2（背景左）和最終裝備（背景右），在那里組裝完成，機翼在運往西班牙之前進行測試。

空中客車公司的一名工作人員正在檢查機翼，機翼在型架中垂直定位，以便將翼梁、肋骨和蒙皮整合在一起。裝配從前緣翼梁開始（在這張照片中有橙色的蓋子），鋁翼肋（綠色和白色）連接在前緣翼梁上。每個機翼都經(jīng)過鉆孔，以容納組裝翼梁、翼肋和機翼蒙皮所需的12000個緊固件。資料來源：空中客車公司

A400M復合材料機翼蒙皮由空中客車公司在德國斯塔德和西班牙伊利斯卡斯制造，工人準備將蒙皮壁板裝入機翼裝配型架中。

一名工人正在檢查組裝好的機翼內部。機翼蒙皮上的燃料檢修孔（照片頂部）允許工人進入機翼內部執(zhí)行多項任務，包括為用于將機翼蒙皮連接到翼梁和翼肋的螺栓提供扭矩。

每個A400M機翼上大約 95%的鉆孔是由自動鉆孔系統(tǒng)加工的，但其余是手工鉆孔。目前鉆孔只需要八天多一點的時間。蒙皮在適當?shù)奈恢勉@孔，去除，去毛刺，然后用包括密封劑的螺栓連接，以防止燃油泄漏。

HPC上發(fā)表的許多文章都集中在單個復合材料部件或結構的制造上。通常，這些組件會成為更大產(chǎn)品的一部分——飛機、航天器、賽車或其他高性能應用中的復雜結構。但很少有人向 HPC提供更多的機械、工藝和技術，用于組裝和集成這些組件以及許多其他組件到這些更大的結構中。

因此，2012年10月，HPC編輯收到了這一罕見的邀請，并參觀了位于英國南格洛斯特郡布里斯托爾北部菲爾頓的空客軍用 A400M阿特拉斯軍用客機機翼組裝設施。

正是在這個設施中，空客完成了將翼梁、機翼蒙皮和各種其他大型碳纖維復合材料結構集成到A400M的大型機翼中的復雜任務，然后為該結構配備一系列復雜的系統(tǒng)，包括“燃料、電氣、氣動和液壓”。此外，該工廠安裝了所有固定和可移動結構，包括后緣裝置（例如副翼和襟翼）、前緣和翼尖。這項組裝工作是世界上最大的此類作業(yè)之一，生產(chǎn)的機翼重量僅為 6500公斤/14330磅，但可以容納和攜帶多達25000公斤/555116 磅的燃料。

菲爾頓公司的工程師們必須解決的組裝難題之一是如何管理碳纖維復合材料，這對機翼的結構和減重成功至關重要?！皩ξ覀儊碚f，”A400M精益顧問兼HPC導游Paul Evans 說，“掌握碳纖維是我們最大的挑戰(zhàn)。我們在飛機結構中使用碳纖維已經(jīng)很多年了，但這是我們第一次在如此大的結構中如此廣泛地使用碳纖維?！?/p>

A400M 背景

A400M Atlas是世界上最新、最先進的軍用空運 機，旨在運送部隊、設備、車輛、物資、燃料和其他物資，以支持軍事行動。Atlas計劃于2013年第二季度交付，長45.1 米（148英尺），翼展42.4米（139英尺），高14.7米（48.25英尺），由四臺 Europrop TP400-D6渦輪螺旋槳發(fā)動機提供動力，每臺發(fā)動機配備八個復合材料螺旋槳葉片。它的最大有效載荷為 37000公斤/81600磅，最大有效載荷下的航程為 3298公里/2049英里，巡航速度為780公里/小時/485英里/小時，服務上限為11300 米/37073英尺。截至2012年10 月，空中客車軍事公司（西班牙馬德里）已為這款新型重型飛機交付174 份訂單。

A400M超過30%的飛機結構由復合材料組成，這種材料是空中客車公司努力減輕飛機重量、提高燃油效率和擴大服務范圍的重要組成部分。飛機上最大的單一復合材料部件是一體式機翼蒙皮，每個機翼蒙皮長 19 米（62 英尺），厚 12 至 14 毫米（0.47 至 0.55 英寸）。當構思和實施時，它代表了復合材料行業(yè)最大的設計、工程和組裝挑戰(zhàn)之一。Paul Evans 指出，事實上，空客在 A400M 上使用碳纖維復合材料的經(jīng)驗為該公司在 A350 XWB 上更容易地使用碳纖維材料奠定了基礎。Paul Evans 說：“這為空客設計和制造更先進的 A350 奠定了基礎?！?/p>

事實是，空客在A400M上開發(fā)的幾乎每一種與復合材料相關的組裝工藝都是該公司的第一次，在某些情況下，也是復合材料的第一次。菲爾頓團隊依靠空客在德國、西班牙和法國工廠的復合材料經(jīng)驗教訓，開發(fā)創(chuàng)新高效的技術解決方案。Paul Evans 說，翼梁和機翼蒙皮代表了空客首次在翼盒應用中使用碳纖維復合材料。

第 1 階段

A400M 裝配設施分為三個階段，呈倒“U”形，第一階段位于左腿，第二階段沿拱形，第三階段位于右腿。第一階段涉及主翼盒結構裝配。第二階段包括預裝備1和2，包括在系統(tǒng)準備和測試中增加緊固件和小型結構工程、布線和其他部件。第三階段包括在運往西班牙塞維利亞的空客A400M總裝線（FAL）之前，增加電氣線束、更多的布線和管道，以及全功能測試。

最密集的復合材料工作發(fā)生在第 1 階段。就在這里，空客公司收到了吉凱恩（GKN）航空航天公司在其附近的英國布里斯托爾工廠制造的復合前后翼梁。在第 1 階段還集成了復合材料的上翼和下翼蒙皮。這些是由空中客車公司在其位于德國斯塔德的工廠通過自動纖維和膠帶放置制造的。HPC 訪問當天，第一階段組裝中的機翼用于 13 號 A400M 飛機。

第一階段的第一步是翼梁組裝。spar平臺分兩部分交付，并與吉凱恩航空航天公司（英國布里斯托爾）制造的定制碳纖維連接板連接。前 spar 平臺在六個固定裝置中的一個固定裝置內水平定向，翼肋和蒙皮以垂直方向連接和組裝，spar平臺作為底座。

在連接翼梁之后，在沿著翼梁的模制連接點處連接24個鋁肋。（Evans 表示，空客評估了碳纖維復合材料在肋骨制造中的使用情況，但考慮到該飛機預計約有600個訂單，復合材料的模具被認為過于昂貴。）

在所有的翼肋連接好后，機翼蒙皮在翼肋上移動到位，空中客車公司開始了機翼組裝中要求最高的工作：在翼組上鉆12000個孔。這是通過空中客車公司所稱的 CAWDE（復合材料自動機翼鉆孔設備）實現(xiàn)的，該公司在第一階段組裝過程中使用了兩種設備。經(jīng)過多年的開發(fā)，每個 CAWDE 工作站都包含一套專門為該應用程序設計和設計的工具。機械側是一個巨大的、（20 英尺）6米高、10英尺3m寬、10英尺/3米深、軌道安裝的 6 軸鉆孔系統(tǒng)，由 Electroimpact 股份有限公司（華盛頓州穆基爾托）設計和制造。它可以在每個固定翼的夾具周圍移動，鉆取每個翼所需6000個孔的90%至95%。它使用由 Precorp（猶他州西班牙叉）提供的金剛石尖端切削工具，Precorp 部分歸瑞典山特維肯機床供應商山特維克可樂滿所有。Evans說，該工具是定制設計的，可以鉆穿碳纖維和鋁的堆疊，在一個工作站中提供先導、鉆孔、擴孔和擴孔操作。在鉆完所有孔后，如有必要，將機翼蒙皮移除、檢查并去除毛刺?！拔覀冇?天的時間鉆12000個孔，”Evans 報道說。

去毛刺后，將機翼蒙皮重新定位在肋骨和翼梁上，并開始實際固定蒙皮的過程。用于連接機翼蒙皮的螺栓必須從機翼外部和內部接近。為此，技術人員通過蒙皮上預先切割好的油箱檢修孔爬進機翼。從內部，當技術人員從外部插入螺栓時，它們分別提供定位和擰緊螺栓所需的引導和扭矩。

因為機翼必須裝有燃料，每個螺栓都涂有密封劑以防止泄漏，埃文斯說：“我們不能有任何燃料泄漏?！薄耙虼?，我們的公差非常嚴格?！?/p>

第 2 階段

鉆孔、螺栓連接和密封完成后，機翼的重量約為 3500 公斤/7716 磅。此時，通過真空提升設備將機翼從型架上拆下，通過起重機將其運輸?shù)絻蓚€第二階段工作站中的第一個，即預設備 1，并在新的工作固定裝置上平放，使操作員和安裝人員能夠方便地接近機翼的前緣和后緣。

在這個階段，空中客車公司使用激光跟蹤器和照片圖像進行了一系列計量檢查，以驗證機翼是否符合各種關鍵尺寸規(guī)范。在將整個結構送至第二階段 2 工作站（預設備 2）之前，工人們還對前緣進行了一些鉆孔。

預裝備2是指完成機翼組裝所需的初始設備的安裝。這包括線束支架（借助激光投影設備定位并粘 合）和前緣和后緣的重量支撐支架。一旦安裝好，空中客車公司將首先用空氣，然后用氫氣/氮氣進行油箱壓力測試，以驗證機翼燃料儲存能力的完整性。

第 3?階段

機翼通過壓力測試后，進入第 3 階段，即最終裝備線，在被送往 A400M 總裝配線之前處理機翼組裝的最后階段。大多數(shù)重型硬件都安裝在這條線上，然后是機翼驅動和測試。

此處包括電線、放氣裝置、消防設備、固定前緣、副翼、擾流板和襟翼的安裝。值得注意的是在機翼上安裝了碳纖維復合燃料管。這些管道由 Adel Wiggins Inc.（加利福尼亞州洛杉磯）制造和供應。在這個階段，空中客車公司還安裝了另一個值得注意的碳纖維部件：一個用于襟翼驅動的傳動軸，由古德里奇公司（Goodrich Corp.）旗下的 Crompton Technology Group（CTG，Banbury，Oxfordshire，U.K.）提供。這些軸長約 1m/3.3ft，直徑40mm/1.57英寸，是纖維纏繞碳纖維，具有不銹鋼端部配件。CTG報告稱，其軸至少經(jīng)過四到六個生命周期的鑒定過程，設計的最低使用壽命為20年。

在安裝和連接所有部件后，機翼達到約6500公斤/約 14330磅的全重，并對所有部件進行全功能測試，以驗證機翼是否正常工作。然后它就可以被送到西班牙的總裝工廠。

自從A400M在10年前首次構思，并決定像空客在機翼上一樣廣泛使用碳纖維復合材料以來，其他以類似方式使用復合材料的飛機也進入了市場——波音787、空客 A350、龐巴迪 C 系列等。然而，在許多方面，A400M Atlas開創(chuàng)了這一趨勢，樹立了標準，在軍事市場上，它仍然是積極使用復合材料的最大飛機。Evans反復向HPC強調，A400M Atlas機翼裝配線上學到的復合材料經(jīng)驗教訓已應用于整個空客組織，這些經(jīng)驗教訓將有利于空客未來幾年的設計和制造實踐。Evans 說：“這是空客以前從未嘗試過的結構中使用的復合材料的規(guī)模?！薄白叩竭@一步需要付出很多努力和學習，但這當然是值得的?！?/p>

注：原文見《 A400M wing assembly: Challenge of integrating composites 》2012.12.31

楊超凡 2023.7.18

補充資料：

空客 A400M CAWDE

CAWDE（復合材料自動機翼鉆孔設備）是一種定制的五軸機床，其結構可實現(xiàn)全自動鉆孔和從螺栓插入。CAWDE已用于固定復合材料和金屬翼盒部件，包括鉆孔和螺栓連接到復合材料翼梁組件和金屬肋上的復合材料翼蓋。此外，發(fā)動機吊架加強件等金屬部件也由機器鉆孔。

該機器的基本配置是一個帶有5軸頭的移動柱柱軋機。頭部提供間隙閉合壓力，并在鉆孔和緊固循環(huán)期間將加工工具運送到工具點。機器沿機翼裝配夾具的長度移動。機翼箱在夾具中加工，前翼梁和塔架位于地板附近。在完成一個表面的加工后，機器被運輸?shù)揭硐涞南鄬Ρ砻妗?/p>

CAWDE上的操作員站是一個乘車平臺，以減少操作員疲勞。平臺靠近工具點，以實現(xiàn)機器操作的良好可見性。為了最大限度地減少運輸過程中的機器外殼，平臺可以折疊起來。觸摸屏 HMI 為操作員提供上下文敏感的控制交互，減少信息過載。

此外，相關CNC信息，如刀點位置、操作員信息和零件程序查看，顯示在第二個LCD監(jiān)視器上。第三個顯示屏顯示攝影機視圖。相機系統(tǒng)的軟件以分屏顯示所有視圖，或縮放以將光學重新同步相機視圖放大到全屏，以獲得最佳分辨率。操作員站的其他功能包括陰影盒，該陰影盒可容納按直徑更換的所有工具，以及緊固件進料滴管。可使用“保持運行”懸掛器來點動機器和啟動/停止零件程序。

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